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行走在宇宙与科学的边缘 精选

已有 7527 次阅读 2019-7-25 12:17 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

行走在宇宙与科学的边缘

鲍海飞 2019-7-25
       
去年年末,我把在读博期间买的一本90年代出版的霍金写的《时间简史》翻了出来,时隔二十多年,重新读了一遍。虽然是寒冷的南方的冬季,但读得津津有味。而今天,时空飞转,热浪袭人之际,当我读到汪洁写的《星空的琴弦》时,我更是热血沸腾。而心中,还有一丝清凉和惊喜,我们的科普、我们的出版终于走在了正途之上,还有我们的渴望,写出我们自己的好书的时代来临了。

      《星空的琴弦》,这本书,其实是按照时间顺序来书写的,按照人物出场的先后顺序展开。无论是托勒密、布鲁诺、哥白尼,还有牛顿、彭齐亚斯、威尔逊,还有哈勃等等大侠,在每一个时间接点,一个一个人物纷纷亮相。书皮黑色的封面似乎暗示着无穷的宇宙、未知的力量,和需要探索的地方。将近两百篇的页码,我大约花了一个星期的时间读完。里面大部分的内容我还是比较熟悉的,曾经都一鳞半爪的涉猎过,毕竟也是个理工男,毕竟一直对自然充满了向往和探索。随着阅读的深入,心中曾经的许多困惑和疑问或多或少也都找到了答案。

        科学之路是什么?我想,无论哪个时代的人,只要他有了思考的能力,只要他感觉到生命的脉动,只要他还能不时地仰望星空,他便会不知不觉地去思考这个古老的问题,面对这个我们似乎熟悉而实际上又非常陌生的世界,我们来自哪里,我们又将去向何方?这个我们从出生便摸爬滚打的尘世,一直养育着我们,其实我们对它几乎一无所知。我们揭开了一层面纱,然后又出现一层面纱,我们始终无法穷尽。这或许就是:山外青山!这或许就是未来世界给一个思考者布下的棋局和谜题。

自古以来,多少先人、哲人探索这个问题。但哲学家和科学家思考问题的角度和方式截然不同。哲学家考虑更多的是思辨,而科学家则注重的是实证。这个巨大的差别,导致了科学引领着人们走向探索之路,而没有停留在原地。人类是如何认识和一步一步发现我们自身的处境?

 地球是个什么模样?

 它是平的?还是别的形状?亚里士多德,无疑发现了问题的端倪,走向了实证之路。类比推理是一个好的方法。远去消失在地平线海洋上的船只?月球的形状,这些都暗示我们,地球也应该是这个模样!它应该是圆的。后来,人们终于环绕了地球。这只是认识宇宙的开端。

这本书的内容可以说是循序渐进,贯穿着这样几个根本问题。

   第一,宇宙的中心在哪里?曾经一度让人着迷和困惑不解的是:我们的地球是宇宙的中心吗?所有的星球都围绕着地球来旋转。太阳是宇宙的中心吗?所有的星球都围绕着太阳旋转。银河系又是唯一的星系吗?几千年来,这个问题终于被痴迷的人类破解了。随着科学的进步,我们只是知道,地球是太阳系的一个分子,地球旋转在以太阳为焦点的一个椭圆上;太阳是银河系的一个分子,太阳带着她的孩子又处于银河系的某一个角落在流浪;银河系外面还有更大的空间。

    第二个问题,与第一个问题紧密相关。星球、星系是如何运动的?宇宙又是如何运动的?星球在运动,宇宙更是在膨胀。因为没有了中心,也就不存在所谓的多普勒效应,而是所有的星球都全部在向外飞驰膨胀。不仅没有减速,反而在加速度。这是哈勃望远镜观察到的结果。一个简单的比喻便是,宇宙仿佛是一个膨胀的气球。

    随之而来的是第三个问题,这个宇宙膨胀到底要膨到一个什么地方,运动或许才会停止,也就是宇宙的尺度问题,世界到底有多大?这似乎是一个难以回答的问题,相伴而来,就是宇宙有多古老?宇宙究竟是个什么模样?现在的科学推演表明,宇宙的膨胀不但没有减速,反而在加速度。这让我们摸不着头脑,宇宙怎么没有边际啊!宇宙的年龄在138亿年,银河系是一种蜗旋状的形态。这还真与我们的太极图像很相近啊。除了这些之外,更深层次的问题是,人类在除太阳系外的星云中发现了有机物的分子,还发现了有些运动似乎不遵循牛顿定律,这促使人们思考,宇宙深处所蕴含的至今人类尚不太了解的暗物质和暗能量作为一种重要的物质存在形态在控制着这个世界。

    然而,说一千道一万,科学之路,是一条实证之路,要找到更简洁的描述方法才是上策,所谓最小功、最短路径才是目标。无论是地球中心说,还是太阳中心说,都应按照这个原则进行。而这个原则的根本就是模型的简约化和直接化。用数学的语言来描述就是,参数越少,越能说明问题,则越好。或许,这就是奥卡姆剃刀原理的另一种表述:如无必要,务增实体。但这反映了科学的认识过程,科学依然不是完整的,它只是在渐进、近似和接近实体与理想的过程。

    天下第一等的大事是什么?书中提到了这个问题。

    虽说距离产生了美,但距离也带来了困惑。极小和极大都让我们茫然不知所措。如何观察和测量宇宙的尺度是关键问题,这才是天下第一等的大事!其后,用什么工具和方法来标度这个尺度便愈加重要和突出。人类的直尺、人类的臂膀能否准确丈量地月、日地的距离?望远镜早已经不是你想象中的望远镜了,光学望远镜早已经走到了尽头。人类再也不需要成天成夜地瞪着两只眼睛仰望星空,一切都是自动成像和分析的射电天文望远镜巨大的太空收音机,收听来自遥远宇宙深处灵动琴弦发出的声音。

    1960年代,美国的阿波罗号飞船在登陆到月球之后,一个重要的测量便是测量地月之间的距离和震动。在月球上安装一个反射装置,地球上发射的激光光束便照射到该装置上并反射回地球。但是,如何测量日地之间的距离,曾经是天下第一等的大事。聪明的人类构思了以地球上两个点为基础的几何三角形法,从而巧妙的解决了这个问题。利用地球一天的自转,即利用地球上的一个点,也能够测量出日地的距离。地球一天从早到晚的旋转,已经走过了一个地球直径的距离。按照人类的尺度,日地距离大约在1.5亿公里。

    不要小看了几何测距法,几何法能够测量大约500光年的距离!这个数值听起来足够大了,但实际上这个数值同宇宙的尺度相比,还是小得可怜。当面对更大的尺度更加遥远的距离时,人类借助于地球的几何视角已经无法分辨遥远的星系,三角形消失了,只剩下一个小点点。那么又该如何测量更远的距离?利用自然本身的奥秘来解释自然和发现自然,这才是人类的智慧,而这只有不断地通过仰望星空,只有不断观察才能有所突破。‘造父变星’观察测距法就是如此,利用一种星的亮度周期变化来测量距离。简单来说,只要知道其亮度随时间的变化,再利用相应的公式以及光强度与距离的平方成反比的规律,就可以大致确定星体与我们的距离。这种测试方法能够完成百万光年距离的测度。这就可以大致完成银河系尺度的测定。银河系大致为旋转的碟形,在水平方向约为30万光年,在垂直方向约为几万光年。

    还有更远吗?是的!世界上最宽广的是海洋,比海洋更宽广的是天空,比天空更宽广的据说是人的胸怀。我倒觉得天空更宽广的应该是人的思想。但你的思想能够走多远?

    如果再远该如何测距?其实,不应该这样问。而是应该问:宇宙的深处,还有灯火闪耀吗?是的!宇宙的至深处,依然有灯火在闪耀,冥冥之中有仙人在指路,有星光在向我们展示它的存在。在那遥远的地方,灯火不是阑珊,而是更加热烈和辉煌。恰是:山巅一寺一壶酒,尔乐苦煞吾……宇宙的深处,有一种相互缠绕的双星在运动,当其中的一颗星燃烧后变成了白矮星的时候,它就会吞噬另一颗星,当达到一定质量,就导致剧烈的爆炸,瞬间就点亮了整个星系的夜空,就像一道闪电划破夜空。一颗超新星(supernovae)就这样诞生了(一种解释)。亿光年的穿越!亿光年啊!它姗姗来迟,但人类读懂了它。我们依旧可以用亮度与距离的平方成反比例的关系来求出其距离。这就是‘标准烛光法’。

    掩卷而思,万事万物都有一个理。理通了,结果也就有了。于是,我问女儿,你会用什么方法去测量日地之间的距离?女儿沉思了一下,说:“要不用温度来测?”我稍微停顿了一下说,为什么不用光?一夜醒来,又想到了女儿的答案,用温度随距离的变化来测量日地之间的距离,又何尝不可?热有三种导热方式:传导、对流和辐射。日地之间的距离不恰好可以用热的辐射来测量吗?在这样一个尺度下,在阳光照耀和阳光辐射的地方,如果知道温度和阳光辐射的距离关系,不就可以构造出一种新的测试方法?

    仰望星空,让每个人都感觉到宇宙的宏大和给人的震撼!那些星系是什么模样?旋转的天体,又将漂移向何方?量子、时空、运动、物质间的相互作用是如何进行的?宇宙的属性又是什么?

    如果我们把宇宙和人进行类比的话,宇宙也是一个有生命的客体。它也有诞生、成长、成熟和死亡。这是属于每一个物质实体的客观属性。星体、星系,就来源于一次又一次的爆炸。那便是时间的起点,那便是生命的起点。于是,又创生了我们。

    观察、发现、测量、物理建模与数学推演、以及不断反复验证,构成了科学研究的过程。   质疑的力量,观察的重要性,实证之路,提出解决的想法方法,发现未知的世界。

     一代一代人持续的思考和求证,科学是模型化的过程,是数学化的过程,是预言、实验与验证的过程。

    想象比知识还重要!但我们更需要了解的是宇宙本身的模样!如果我们不了解宇宙的模样和运动方式,我们能构造出完美的宇宙方程吗?宇宙大统一能够实现吗?就好比在崇山峻岭中,到处都是茂密的丛林,一颗又一颗高大的树木,而我们只是爬在树上的一只蚂蚁。我们又如何能够爬上树梢瞭望远方,又如何知道我们身处何地?

    思想,不拘一格的思想,天马行空的思想,才能创造未来。

    一沙一世界,一树一菩提。那些执着的真正的科学家们在探索星空宇宙中,前仆后继,可歌可泣,让人荡气回肠,让人倾慕不已,值得尊敬和学习,他们引领我们洞悉大千与秋毫。是一种什么样的力量在引导他们,是一种什么精神在引领他们!?智者的眼中,慧者的世界,顿悟、勤奋、信仰、智慧的传递,聚沙成塔。

    作为人类不去思考星空、宇宙和未来,是一种遗憾。就如读书而没有思考是一种遗憾,思考而没有践行更是一种遗憾。它们不是身外之物,恰是应该作为智慧人类的追寻。

    宇宙就是我们面前的一道迷题。它一直在对人类的智力和智慧不断的挑战,而人类又面对世俗的肤浅和画地为牢的约定俗成进行着挑战。

    在视力所及,在电波所及,在思想所及之处,总有探索的力量,痴迷的力量,思考的力量。生命中最灿烂的时光,是和星光一起闪耀,是和星光一起舞蹈。
    远处,还有灯火……

 



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